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Philipps-Universitt Marburg Fachbereich 15: Chemie bung im Experimentalvortrag Sommersemester 2010 Henrik Lamann

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Gliederung 1. Was ist Kautschuk? 2. Gewinnung der Latexmilch 3. Rohkautschuk 4. Vom Kautschuk zum Gummi 5. Verwendung von Kautschuk 6. Kautschuk in der Schule 2

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1. Was ist Kautschuk? Die Wortherkunft Maya caao-chu (weinender Baum) Franzsisch: caoutchouc Deutsch: Kautschuk 3 http://www.reifensuchmaschine.de/reifen/kautschuk-reifen/ kautschukbaum.jpg

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Der weinende Baum Hevea brasiliensis botanischer Name des weinenden Baumes Heimat: Amazonasgebiet Gruppe der Wolfsmilchgewchse Wichtigster Naturkautschuk- lieferant: 90 % 95 % des Naturkautschuks aus Sdost-Asien 4 http://online-media.uni-marburg.de/biologie/ nutzpflanzen/carina/Gummi2.jpg 1. Was ist Kautschuk?

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Der weinende Baum Hevea brasiliensis wchst im Gebiet des Kautschukgrtels 5 http://www.oldtimerreifen-moeller.de/pictures/kguertl.jpg 1. Was ist Kautschuk?

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Der weinende Baum Milchsaft des Kautschukbaums: Latex Spanisch leche fr Milch Latex 6 http://www.virusdoktor.de/patong2005/kautschuk.jpg 1. Was ist Kautschuk?

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Versuch 1: Tyndall Effekt Eingesetzte Chemikalien: Stark verdnnte Latexmilch Kochsalzlsung NaCl (aq) 7 1. Was ist Kautschuk?

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Der Tyndall-Effekt Kolloidale Lsung Teilchengren vergleichbar mit Wellenlnge des sichtbaren Lichts (10 bis 1000 Nanometer) Dispersion erscheint homogen Starke Lichtstreuung nur bei kolloidalen Lsungen 8 http://de.academic.ru/pictures/dewiki/115/sonnenebel.jpg 1. Was ist Kautschuk?

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Als Kautschuk wird das Polymer bezeichnet, welches in der Latexmilch mit einem Anteil von 25 40 % vorliegt: cis-1,4-Polyisopren 9 1. Was ist Kautschuk? Definition

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Latexmilch Zusammensetzung: 10 MassenanteilStoff 0,6 0,7Wasser 0,25 0,4Kautschuk 0,015 0,02Harze 0,015 0,02Proteine 0,005 0,01Mineralstoffe 1. Was ist Kautschuk?

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Versuch 2: Doppelbindungsnachweis Eingesetzte Chemikalien: Brom Br 2(l) in Eisessig CH 3 COOH (aq) Kautschuk in Toluol C 7 H 8(l) 11 1. Was ist Kautschuk?

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Doppelbindungsnachweis Bromaddition an Doppelbindungen: 12 1. Was ist Kautschuk?

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2. Gewinnung der Latexmilch Gewinnung durch Einschnitt in Milchrhren alle 2 Tage Diagonale Einschnitte von links oben nach rechts unten Milchrhren spiralfrmig Ertrag: 20-30 g pro Baum und Tag 13 http://www.pi-net.ch/fotos/bilder_india/kautschuk01.jpg

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14 http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Nutzpflanzen/isopren.pdf; Seite 24 2. Gewinnung der Latexmilch

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Auch einheimische Pflanzen besitzen Milchsaft - Lwenzahn (Taraxacum) - Mohn (Papaver) - Gnsedistel (Sonchus) Sehr geringer Gehalt 15 http://www.dogfood-marengo.ch/kraeuter/ images/loewenzahn2.jpg 2. Gewinnung der Latexmilch

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und manche Zimmerpflanzen: - Birkenfeige - Benjamini (Ficus benjamina) 16 2. Gewinnung der Latexmilch

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Versuch 3: Latex Koagulation Eingesetzte Chemikalien Verdnnte Latexmilch Verdnnte Ameisensure HCOOH (aq) 17 3. Rohkautschuk

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Latex Koagulation 3. Rohkautschuk Kautschuk: unpolares Makromolekl Grenzflchenaktive Emulgatoren halten K. in Lsung (hier: Proteine) Kautschuk- Molekle Protein 18

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Zugabe von Sure Zerstrung der Tertirstruktur der Proteine Funktionsverlust; Koagulation des Kautschuks 19 3. Rohkautschuk Latex Koagulation Denaturiertes Protein Koagulierter Kautschuk

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Industrielle Aufarbeitung Latexkoagulation mit Ameisensure Schwammartige Matten Pressen / Prgen Rubber Sheets 20 http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/ kautschuk/icons/latexsaft_koagulieren.jpg http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/ kautschuk/icons/matten_auspressen.jpg 3. Rohkautschuk

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Industrielle Aufarbeitung Lufttrocknen der Sheets Air-Dried-Sheets Ruchern der Sheets Smoked Sheets 21 http://www.swisseduc.ch/geographie/ materialien/rohstoffe_welt/kautschuk/ icons/rubber_sheets.jpg 3. Rohkautschuk

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Andere Handelsvarianten: Gerinnung in langen Trgen, walzen zu Crepes Gerinnung in langen Trgen, zerkleinern Granulat, Heisslufttrocknen Block Rubber oder Heveacrumb (goldfarbene Blcke) Ammoniakzugabe zur Latexmilch, aufkonzentrieren (zentrifugieren/eindampfen) Latexmilchkonzentrat 22 3. Rohkautschuk

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Demonstration 1: Quellvermgen Rohkautschuk in Toluol 23 VergleichsprobeQuellung nach 1 StundeQuellung nach 1 Tag 3. Rohkautschuk

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Quellvermgen Kautschuk ist ein Thermoplast Lange, nicht verzweigte Polymere 24 Rohkautschuk 3. Rohkautschuk

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Quellvermgen Einlagerung von Toluol zwischen Polymerketten Abstandsvergrerung zwischen Polymeren Quellung 25 Toluol Rohkautschuk 3. Rohkautschuk

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Versuch 4: Doppelbindungsnachweis in Kautschuk (Baeyer-Probe) Eingesetzte Chemikalien: Rohkautschuk Baeyer-Reagenz 1. Lsung: Kaliumpermanganat-Lsung KMnO 4(aq) 2. Lsung: Natriumcarbonat-Lsung Na 2 CO 3(aq) 26 3. Rohkautschuk

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Baeyer-Probe Doppelbindungen reagieren mit Permanganat Braunstein als brauner Niederschlag 27 Braunstein Reduktion Oxidation 3. Rohkautschuk

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Mechanismus: elektrophile Addition Syn-Dihydroxylierung 28 Baeyer-Probe 3. Rohkautschuk

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4. Vom Kautschuk zum Gummi Kautschukforschung 1763: P. I. Macquer stellt Formartikel her 1770: J. Priestley entdeckt Radiereffekt 1791: Samuel Peal erfindet gummierte Gewebe 1823: Charles Macintosh fertigt ersten Regenmantel 1826: Michael Faraday findet Summenformel einer Isopreneinheit Kautschuk: wenig hitzebestndig, klebrig, sprde bei Klte Forschung zur Verbesserung der Eigenschaften 29

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Kautschukforschung 1839: Charles Goodyear entdeckt durch Zufall die Vulkanisation Experimente mit verschiedenen Kautschukmischungen Schwefel-Kautschuk-Mischung fllt auf heie Herdplatte Entdeckung des Gummis 30 4. Vom Kautschuk zum Gummi http://thebsreport.files.wordpress.com/ 2009/06/charles_goodyear.jpg

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Kautschukforschung Patentstreit mit Thomas Hancock Goodyear bekommt Prioritt zugesprochen 1844: Patentanmeldung des Vulkanisationsprozesses Goodyear produziert Handschuhe, Zelte 1855: Goodyear erzeugt erstes Gummikondom (2 mm Dicke) 31 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Demonstration 2: Vulkanisation Eingesetzte Chemikalien: Latexmilch Schwefel S 8 Tensid (Alkylethersulfat) Zinkoxid ZnO (s) 32 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Vulkanisation Latexmilch-, Schwefel-, Tensid-, Zinkoxid-Gemisch erhitzen (Trockenschrank: 130 C; Stunde) Gelbes Gummi 33 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Vulkanisation 34 http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/images/vulkanis.jpg Isopreneinheit Naturkautschuk Schwefelbrcken Gummi (Elastomer) + S 8, T 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Vulkanisation Schwefelmenge bestimmt Vernetzungsgrad 35 SchwefelmengeGummi 2 3 %Weichgummi 5- 15 %Lederartig/unbrauchbar 30 50 %Hartgummi 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Vulkanisation Weitere Zustze: Beschleuniger: Setzten Vulkanisationstemperatur herab, verkrzen Sulfidbrcken z.B.: Dithiocarbamate (Monosulfidbrcken, Min. Vulkanisation bei 140 C) Aktivatoren: Metalloxide; Untersttzen Beschleuniger z.B.: Zinkoxid 36 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Vulkanisation Weitere Zustze: Antioxidanzien: Alterungsschutz, Radikalfnger, Verhindern Kettenabbau, weitere Vernetzung Fllstoffe: Verbesserung von Abrieb und Reifestigkeit, Volumenzunahme, Festigkeit z.B.: Ru (bessere Reifestigkeit, weniger Abrieb), Zinkoxid (Verfestigung), Kreide (Volumenzunahme) 37 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Vulkanisation Weitere Zustze: Weichmacher: Einstellung des Weichheitsgrades, Alterungsschutz (z.B.: Paraffine, kurzkettige Polybutadiene) Haftmittel: Verbesserung der Hafteigenschaften auf Geweben, Metallen (z.B.: Kieselsure) Verzgerer: Verlngerung der Vulkanisationszeit, verhindern Versengen (z.B.: Benzoesure) 38 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Demonstration 3: Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi Materialien: Unvulkanisierte Kautschukmischung Magnetrhrer mit Heizplatte 2 Spachtelbleche Silikonl 39 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi Vulkanisationsapparatur: 40 Unvulkanisierte Kautschukmischung Spachtelblech mit Silikonl Magnetrhrer mit Heizplatte 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Unvulkanisierter Kautschuk: nicht elastisch (plastisch) Verformung bleibt bestehen 41 Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi Dehnung 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Gummi: Elastisch Kehrt in die Ausgangsform zurck 42 Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi Dehnung Keine Krafteinwirkung 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Versuch 5: Elastizitt von Gummi Eingesetztes Material: Gummiband Gewicht Heiluftfn 43 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Elastizitt von Gummi Freie Drehbarkeit der Kettenglieder im Molekl Stark geknulte Struktur: Bei Dehnung: geordneter Zustand Bestreben in den ungeordneteren Zustand zurckzukehren (statistisch bevorzugt; Entropie- Effekt) Erwrmen: hhere Teilchenbewegung, wahrscheinliche Formen werden eingenommen Gummibandverkrzung 44 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Versuch 6: Schwefelnachweis in Gummi Eingesetzte Chemikalien: Gummiband Bleiacetatpapier (Pb(CH 3 COO) 2 ) 45 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Schwefelnachweis in Gummi Thermische Zersetzung des Gummis Starke Rauchentwicklung Bleiacetatpapier zeigt schwarzbraune Verfrbung Pb 2+ (aq) + 2 CH 3 COO - (aq) + H 2 S (g) PbS (s) + 2 CH 3 COOH 46 schwarz 4. Vom Kautschuk zum Gummi

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Autoreifen (60 70 %) Radiergummi Schluche, Stopfen Dichtungsmaterial Isolierungsmittel Latexkleidung Handschuhe Ballons Kondome 5. Verwendung von Kautschuk 47 http://www.hubtraum.de/shop/images/ medium/autoreifen-sp9000_klein.jpg http://www.vikingdirekt.at/pictures/ at/vkg/sk/lg/0120_sk_lg.jpg http://growshop.plazza.ws/img/2/1109.jpg http://www.latexbay.com/ebay/ zentai/catalog/latex%20s1.jpg

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6. Kautschuk in der Schule Versuche sind schulgeeignet Bromaddition: Lehrerversuch (HessGISS) Schwefelnachweis mit Bleiacetat: Lehrerversuch (HessGISS) Fcherbergreifender Unterricht Biologie, Sozialkunde, Wirtschaft 48

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11. Klasse: Eigenschaften und Reaktionen von Kohlenstoff-Wasserstoff Verbindungen Kautschuk, Gummi fakultativ 12. Klasse: Wahlthema Angewandte Chemie Natrliche Makromolekle Kunststoffe 49 6. Kautschuk in der Schule

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Danke fr die Aufmerksamkeit! 50

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Quellen Bcher / Magazine: Mortimer, C., Basiswissen der Chemie, 8. komplett berarbeitete und erweiterte Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003. Vollhardt, C., Organische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2005. Praxis der Naturwissenschaften Heft 4 1989 Seiten: 42 44 Praxis der Naturwissenschaften Heft 5 1992 Seiten: 17 10 CD-Rom Verzeichnis: HessGISS. Unfallkasse Hessen (UKH), Frankfurt, 2006/2007. 51

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Quellen Internet: http://www.bauchemie.ch.tum.de/master-framework/ ?download=1&file=130&ck=7877965832a724fda08d780b6fc50338 http://chemie.fb2.fh-frankfurt.de/KAT/kautschukgeschichte.htm http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/s chwefel.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/schwmenge.vscml.html http://www.friedrich-verlag.de/pdf_preview/d510019_1822.pdf http://www.hansa-gymnasium-mint.org/n-chemie/projekte/phoenix- compounding/vulkanisation.html http://macroweb.chemie.uni- saarland.de/desknow/directfiles/wenz/Vorlesungen/MC1%20Synthese%20von %20Polymeren/Literatur/Vulkanisation.pdf http://www.nachwachsenderohstoffe.de/fileadmin/fnr/images/literatur/L_Heft_l.pdf http://online-media.uni- marburg.de/biologie/nutzpflanzen/carina/hevea_brasiliensis.htm http://www.seilnacht.com/Lexikon/k_gummi.html 52

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http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/kautschuk/ http://www.thomasmusolf.de/fuer_schueler_und_eltern/Chemie/Semester%201 %20Aufbau%20der%20Materie/V%20Kohlenstoff/Nachweis%20von%20Dopp elbindungen.pdf http://www.uni-due.de/~hc0014/S+WM/Wirkung/Tyndall.html http://www.uni- duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Nutzpflanzen/isopren.pdf 53 Quellen